Hallan la clave para que las plantas resistan las olas de calor

Cuando golpean las olas de calor, no solo afectan a las personas, también sufren las plantas de las que dependemos para alimentarnos. Esto se debe a que cuando las temperaturas son demasiado altas, ciertas defensas de las plantas no funcionan tan bien, dejándolas más susceptibles a los ataques de patógenos y plagas de insectos.

Ahora, un equipo de científicos asegura haber identificado una proteína específica en las células vegetales que explica por qué la inmunidad falla a medida que aumenta el mercurio. La buena noticia es que también han descubierto una manera de revertir la pérdida y reforzar las defensas de las plantas contra el calor.

En un trabajo publicado este miércoles en la revista Nature, los autores describen una serie de experimentos con Arabidopsis thaliana, una planta “modelo” en la investigación botánica, y aseguran que si los mismos resultados se mantienen también en los cultivos, sería una buena noticia para la seguridad alimentaria en un mundo que se calienta

Vulnerables ante el calor

Los científicos saben desde hace décadas que las temperaturas superiores a lo normal suprimen la capacidad de una planta para producir una hormona de defensa llamada ácido salicílico, que activa el sistema inmunológico de la planta y detiene a los invasores antes de que causen demasiado daño. Pero la base molecular de este colapso de la inmunidad no se entendía bien.

A mediados de la década de 2010, el biólogo de la Universidad de Duke Sheng-Yang He y su entonces estudiante de posgrado Bethany Huot descubrieron que incluso las olas de calor breves pueden tener un efecto dramático en las defensas hormonales en las plantas de Arabidopsis , dejándolas más propensas a la infección por una bacteria llamada Pseudomonas syringae.

“Las plantas contraen muchas más infecciones a temperaturas cálidas porque su nivel de inmunidad basal está bajo”

Normalmente, cuando este patógeno ataca, los niveles de ácido salicílico en las hojas de una planta aumentan 7 veces para evitar que las bacterias se propaguen. Pero cuando las temperaturas superan los 30 º C durante solo dos días, ni siquiera los tres dígitos, las plantas ya no pueden producir suficiente hormona de defensa para evitar que la infección se arraigue.

“Las plantas contraen muchas más infecciones a temperaturas cálidas porque su nivel de inmunidad basal está bajo”, explica He. “Así que queríamos saber, ¿cómo sienten las plantas el calor? ¿Y podemos arreglarlo para que las plantas sean resistentes al calor?

Termómetros internos

Casi al mismo tiempo, un equipo diferente descubrió que las moléculas en las células vegetales llamadas fitocromos funcionan como termómetros internos, ayudando a las plantas a detectar temperaturas más cálidas en la primavera y activar el crecimiento y la floración.

Entonces, He y sus colegas se preguntaron: ¿podrían ser estas mismas moléculas sensibles al calor las que derriban el sistema inmunológico cuando las cosas se calientan y ser la clave para recuperarlo?

Para averiguarlo, los investigadores tomaron plantas normales y plantas mutantes cuyos fitocromos siempre estaban activos independientemente de la temperatura, las infectaron con la bacteria P. syringae y las cultivaron a 23 y 28 grados Celsius para ver cómo les iba. Pero a los mutantes de fitocromos les fue exactamente igual que a las plantas normales: aún no podían producir suficiente ácido salicílico cuando las temperaturas subían para defenderse de las infecciones.

El gen interruptor

Los coautores Danve Castroverde y Jonghum Kim pasaron varios años haciendo experimentos similares con otros genes sospechosos, y esas plantas mutantes también se enfermaron durante los períodos cálidos. Así que intentaron una estrategia diferente. Usando la secuenciación de próxima generación, compararon las lecturas de genes en plantas de Arabidopsis infectadas a temperaturas normales y elevadas. Resultó que muchos de los genes que se suprimieron a temperaturas elevadas estaban regulados por la misma molécula, un gen llamado CBP60g.

El gen CBP60g actúa como un interruptor maestro que controla otros genes

El gen CBP60g actúa como un interruptor maestro que controla otros genes, por lo que cualquier cosa que regule a la baja o "apague" CBP60g significa que muchos otros genes también están apagados, no producen las proteínas que permiten que una célula vegetal se acumule ácido salicílico.

Otros experimentos revelaron que la maquinaria celular necesaria para comenzar a leer las instrucciones genéticas en el gen CBP60g no se ensambla correctamente cuando hace demasiado calor, y es por eso que el sistema inmunológico de la planta ya no puede hacer su trabajo.

Plantas resistentes

El equipo pudo demostrar que las plantas mutantes de Arabidopsis que tenían su gen CBP60g constantemente "encendido" podían mantener sus niveles de hormonas de defensa altos y las bacterias a raya, incluso bajo estrés por calor.

Las plantas que tenían su gen CBP60g "encendido" podían mantener sus niveles de defensa altos

A continuación, los investigadores encontraron una manera de diseñar plantas resistentes al calor que encendieran el interruptor maestro CBP60g solo cuando estaban bajo ataque y sin atrofiar su crecimiento, lo cual es fundamental si los hallazgos ayudarán a proteger las defensas de las plantas sin afectar negativamente el rendimiento de los cultivos.

Los hallazgos podrían ser buenas noticias para los suministros de alimentos que se han vuelto inseguros por el cambio climático, según He y su equipo. El calentamiento global está empeorando las olas de calor, debilitando las defensas naturales de las plantas. Pero ya, hasta el 40% de los cultivos alimentarios en todo el mundo se pierden cada año debido a plagas y enfermedades, lo que le cuesta a la economía mundial unos 300.000 millones de dólares.

Al mismo tiempo, el crecimiento de la población está elevando la demanda mundial de alimentos. Para alimentar a los aproximadamente 10 000 millones de personas que se esperan en la Tierra para 2050, las previsiones sugieren que la producción de alimentos deberá aumentar en un 60 % .

La clave: trasladarlo a cultivos

Cuando se trata de la seguridad alimentaria futura, He cree que la verdadera prueba será si su estrategia para proteger la inmunidad en las plantas de Arabidopsis también funciona en los cultivos.

El equipo descubrió que las temperaturas elevadas no solo afectaban las defensas del ácido salicílico en las plantas de Arabidopsis, sino que tenían un efecto similar en plantas de cultivo como el tomate, la colza y el arroz.

Los experimentos de seguimiento para restaurar la actividad del gen CBP60g en colza hasta el momento están mostrando los mismos resultados prometedores. De hecho, los genes con secuencias de ADN similares se encuentran en todas las plantas, dice He.

En Arabidopsis, evitar que el interruptor maestro CPB60g sintiera el calor no solo restauró los genes involucrados en la producción de ácido salicílico, sino que también protegió otros genes relacionados con la defensa contra temperaturas más cálidas.

"Si esto también es cierto para las plantas de cultivo, tenemos un arma muy poderosa"

“Pudimos hacer que todo el sistema inmunológico de la planta fuera más robusto a temperaturas cálidas”, asegura. "Si esto también es cierto para las plantas de cultivo, es un asunto de gran calado, porque entonces tenemos un arma muy poderosa".

Referencia: Strengthening the Resilience of Plant Immunity to a Warming Climate (Nature) DOI 10.1038/s41586-022-04902-y